细颗粒物2.5 致癌作用的研究进展

黄兰川，刘进，于鹏，蔡永林

1 右江民族医学院公共卫生与管理学院，广西 百色 533000

2 桂林医学院临床医学院，广西 桂林 541000

3 梧州市红十字会医院临床医学研究中心，广西 梧州 543000

4 梧州市肿瘤防治中心预防医学部，广西 梧州 543000

空气污染是全球面临的问题，颗粒物是空气污染物之一，给人类健康带来严重影响。2013 年，国际癌症研究机构将室外空气污染中的颗粒物归类为一类致癌物[1]。大气细颗粒物2.5（particulate matter 2.5，PM2.5）是一种粒径≤2.5 mm 的颗粒物，其来源广泛，表面附着黑碳、多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbon，PAH）化合物、有毒金属元素及致病菌、病毒等有害物质，通过直接摄入、皮肤接触、呼吸作用等途径进入人体而危害健康。PM2.5 暴露可对人体的呼吸系统、心血管系统等造成损伤，引起疾病，甚至促进肿瘤的发生发展。近年来，PM2.5 暴露引起肿瘤的负担越来越重。研究报道，从1990—2019 年，肺癌年龄标准化死亡率的显著上升主要归因于每日室外PM2.5 的暴露[2]。还有许多研究报道了PM2.5 暴露与肺癌、肝癌、乳腺癌等多种肿瘤有关的流行病学及实验证据，说明长期的PM2.5 暴露与肿瘤的发病有密切联系。本文对近年来PM2.5 暴露的致癌作用以及PM2.5 与多种肿瘤的关联证据进行综述，以期为PM2.5 致癌机制研究和肿瘤防治工作提供参考。

1 PM2.5 的致癌成分

PM2.5 是一种混合物，其所携带的成分有黑碳颗粒、PAH、重金属等。PM2.5 致癌是由黑碳颗粒辅助PAH 和重金属离子等致癌物发挥作用的。黑碳颗粒是一种高度芳香性的多孔物质，对有机污染物具有较强的吸附能力，可携带有毒、致癌化合物进入人体，严重危害健康[3]。一项探索PM2.5 中黑碳颗粒对肿瘤发生影响的队列研究表明，随着空气中黑碳颗粒暴露的累积，所有部位肿瘤的发生风险提高1.17 倍，肺癌发生风险提高1.31 倍[4]。黑碳颗粒相当于PM2.5 携带致癌物质的载体，随着黑碳颗粒暴露的积累，诱导细胞癌变的物质长期作用于正常细胞，使肿瘤发生风险增加。PM2.5结合的PAH 是导致PM2.5 暴露的主要致癌物质。PM2.5 中PAH 共有16 种，如芘、苯并芘、苯并荧蒽、苯并蒽等成分[5]。Chen 等[6]建立细胞模型用于评估长期PM2.5 暴露的致癌潜力，结果显示，PM2.5结合的PAH 中的特定成分在诱导细胞恶性转化和调节肿瘤标志物表达过程中起关键作用。然而，PM2.5 的污染源受季节和区域的影响而各不相同，所以其成分含量有所差别，致癌风险也不同。例如石家庄市采暖期和非采暖期的PM2.5 中PAH 平均浓度存在差异，但不同时期大气PM2.5 中的PAH 对所有人群均具有潜在致癌风险[7]。段慧玲[8]的研究中，太原、北京、杭州及广州4 个城市的PM2.5 中PAH 含量有所不同，但均存在不同程度的致癌风险，在不同季节，太原组的PAH 含量均大于其他组，且太原组的致癌风险高于其他3 组，太原组是北京组的3.89 倍，是杭州组的11.80 倍，是广州组的15.00 倍。研究发现，PM2.5 中的重金属存在致癌潜力。多位学者采用美国环境保护署推荐的健康风险评价模型对PM2.5 中金属元素的健康风险进行评价，一般分为非致癌风险和致癌风险。常见的非致癌风险元素有铁、铝、锌、锰、铜、硅等，致癌风险元素有砷、铬、镉、镍等。同样，受地区和季节的影响，PM2.5 中金属元素的种类及含量也有所不同，不同地区的致癌金属在致癌风险上存在差异[9-12]。吴庆瑶等[13]的研究中，常州某工业区PM2.5 中的铅、钴、镉、镍对人群的致癌风险较小，可忽略不计，而砷、铬致癌风险较高。而张璐涵等[14]的研究中，德州市PM2.5 中的铬、砷对人群均存在潜在致癌风险，镍被认为不存在致癌风险，济南市PM2.5 中铬、砷、镍均存在潜在致癌风险。PM2.5 对不同人群的影响存在差异，研究发现，金属对儿童的致癌风险最高，成年男性次之，成年女性最低。而李玉霞等[15]研究表明，金属对成年人的致癌风险高于儿童。对于PM2.5 中的PAH，超额致癌风险随着年龄的增加而增大[16]。对于肿瘤患者，PM2.5 对儿童和老年人的生存预后影响更大[17]。研究结论的不一致，可能因各地的PM2.5 中成分占比不同，且致癌潜力还可能受到人们生活方式、PM2.5 接触量等因素的影响，各地发现的致癌物质对不同人群的致癌潜力存在差异。上述研究提示PM2.5 中携带对人类致癌的多种成分，致癌潜力受到其成分种类以及含量的影响，而这些致癌成分来源于当地的大气污染物。PM2.5中的致癌物质其实是空气中的有害物质，PM2.5 起到了聚集这些有害物质的作用，从而更易进入人体。因此，环境治理在限制空气污染物排放的同时，也应该重视空气中已经存在的对人体有害物质的治理。

2 PM2.5 的致癌作用

2.1 诱导相关基因表达

肿瘤的发生与癌基因的异常表达密切相关，PM2.5 暴露通过诱导相关基因的异常表达、干扰细胞正常代谢及生物学行为、诱导细胞的恶性转化来促进肿瘤的发生发展。Chen 等[18]发现，代谢相关基因二氢硫辛酰胺S-乙酰转移酶（dihydrolipoamide S-acetyltransferase，DLAT）具有诱导非小细胞肺癌发生发展的潜在作用，PM2.5 诱导DLAT高表达，促进糖酵解，诱导肿瘤发生，且抑制肿瘤细胞凋亡，增强肿瘤的恶性程度。PM2.5 还诱导Erb-B基因启动子区域的甲基化和调节Erb-B基因的表达，激活Erb-B 蛋白信号转导，调控下游生长因子受体结合蛋白2（growth factor receptor bound protein 2，GRB2）/RAF 通路和蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，又称AKT）/MDM2 通路，对肿瘤的新生血管生成和细胞凋亡发挥重要作用[19]。此外，通过对癌症基因组图谱（The Cancer Genome Atlas，TCGA）数据库的数据进行分析，PM2.5 暴露可调控斯钙素2（stanniocalcin 2，STC2）基因的表达，目前已证实STC2 在不同肿瘤中的表达存在差异，与肿瘤发展具有显著关联。PM2.5 上调了STC2 的蛋白表达和转录水平，影响肿瘤的发生发展、免疫浸润和预后[20]。这提示PM2.5暴露可诱导相关基因异常表达，引起基因转录和翻译效率变化，诱导甲基化等，促成肿瘤发生的条件，影响肿瘤患者的预后。

2.2 调节信号通路

信号通路参与调节细胞的增殖、分化、凋亡及免疫调节等过程。PM2.5 暴露通过激活相关的信号转导，干扰细胞的生物学行为，诱导恶性转化，例如上皮-间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）过程。EMT 与肿瘤细胞侵袭、迁移、肿瘤干细胞更新和治疗耐药性等肿瘤发展过程有关[21]。已知Notch 信号通路在调控肿瘤新生血管生成、EMT、肿瘤干细胞更新等方面起重要作用[22]。研究报道，PM2.5 暴露通过激活Notch1 信号通路，降低E-钙黏蛋白的表达，提高波形蛋白、多能维持因子等蛋白水平，促进细胞恶性转化和维持肿瘤细胞的干细胞特性[23]。另外，WNT/β-联蛋白（β-catenin）通路是一条经典的信号转导途径，参与调控细胞生长、分化、迁移、凋亡过程，是导致肿瘤发生发展的重要途径。而PM2.5 暴露时，A549 细胞的β-catenin 和磷酸化糖原合酶激酶3β（phosphorylationglycogen synthase kinase 3 beta，p-GSK3B）表达增加，激活了WNT/β-catenin 信号通路，诱导抑癌基因p16甲基化，增加细胞EMT 相关蛋白的表达，从而促进肺癌细胞的侵袭、迁移[24]。研究发现，黏着斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）/磷脂酰肌醇3 激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/AKT 信号通路也与肿瘤的EMT 有关。PM2.5 暴露增强了FAK/PI3K/AKT 信号转导，促进了肿瘤细胞EMT 的进展，同时还增强乳腺癌细胞的增殖、侵袭和迁移能力，加快乳腺癌的转移[25]。由上述研究报道可知，PM2.5 可直接作用于细胞间重要的信号转导，增强信号通路的表达，促进EMT 进程，增强肿瘤细胞的增殖、侵袭和迁移能力。

2.3 影响相关蛋白、信号分子的表达

PM2.5 暴露影响蛋白、信号分子的表达，诱导肿瘤细胞增殖、迁移、新生血管生成和EMT 等过程。例如PM2.5 暴露升高了细胞黏附分子1、白细胞介素（interleukin，IL）-24 和细胞色素P450 的表达水平，调节细胞的代谢、增殖和分化等；PM2.5还能干扰细胞-底物连接、细胞-细胞连接和黏附灶等细胞生物学行为，诱发肿瘤的发生[26]。此外，在PM2.5 的刺激下，IL-6[27]、IL-17a[28-29]、ATP 柠檬酸裂解酶（ATP citrate lyase，ACLY）[30]等物质的表达水平升高，可干扰能量代谢过程，促进细胞的恶性转化、EMT 和肿瘤内新生血管生成，增强肿瘤细胞的增殖、迁移能力。PM2.5 结合的硝基多环芳烃（nitro-polycyclic aromatic hydrocarbons，NPAH）还使肿瘤抑制因子[大肿瘤抑制激酶（large tumor suppressor kinase，LATS）1/2]失活，导致Yes 相关蛋白（Yes-associated protein，YAP）去磷酸化和核转位，YAP 与TEA 结构域转录因子（TEA domain transcription factor，TEAD）相互作用并介导肿瘤细胞的迁移和黏附，从而促进肿瘤转移[31]。PM2.5 的暴露使重要的代谢酶、细胞因子表达异常，甚至使肿瘤抑制因子失活，干扰正常的细胞代谢，促进肿瘤的发生发展。

3 PM2.5 与肿瘤发生发展关系的流行病学及研究进展

3.1 PM2.5 与肿瘤发生发展关系的流行病学证据

研究发现，PM2.5 暴露与肿瘤的发病风险及生存预后有关。一项PM2.5 与肿瘤发病率关系的回顾性队列研究表明，PM2.5 年平均浓度每增加10 μg/m3，胃癌、内分泌癌、乳腺癌、肺癌的发病风险均增加。另外，关于室外颗粒物空气污染与消化系统肿瘤发生风险的系统评价和Meta 分析表明，PM2.5 暴露与总体胃肠道肿瘤（RR=1.12，95%CI：1.01～1.24）的发病风险增加有关，且与肝癌（RR=1.31，95%CI：1.07～1.56）、结直肠癌（RR=1.35，95%CI：1.08～1.62）发病风险增加的关联性最强[32]。PM2.5 暴露不仅会增加肿瘤的发生风险，还会提高肿瘤患者的死亡风险。有研究报道了PM2.5 暴露对肿瘤患者生存预后的影响。Lee 等[33]探索肝癌患者PM2.5 暴露与死亡率之间的关系，结果表明，生活环境中PM2.5 年平均暴露浓度≥36 μg/m3的肝癌患者死亡率高于生活环境中PM2.5年平均暴露浓度＜36 μg/m3的患者，累积生存率则相反。对于从未吸烟者而言，PM2.5 暴露浓度每增加10 μg/m3，肺癌的发病率（HR=1.32，95%CI：1.12～1.56）和死亡率（HR=1.28，95%CI：1.01～1.63）均会升高[34]。由此可见，生活环境中的PM2.5 浓度与肿瘤的发生及死亡风险相关，长期的PM2.5 暴露成为各种肿瘤发病及预后差的原因之一。

然而近年来的报道中，关于PM2.5 暴露对乳腺癌的影响结果不一致。对于乳腺癌的发生风险，一项美国的前瞻性队列研究发现，PM2.5 暴露浓度的四分位数间距增加3.6 μg/m3与导管原位乳腺癌（HR=1.16，95%CI：1.02～1.31）发生风险有关，但对于浸润性乳腺癌，可能因地理上的差异，PM2.5 暴露浓度升高与浸润性乳腺癌（HR=1.14，95%CI：1.02～1.27）发病的关联仅出现在美国西部地区[35]。乳腺癌患者生存预后方面，DuPré等[36]的研究表明，总体上，颗粒物暴露与乳腺癌的特异性死亡无关，但PM2.5 与乳腺癌生存率的关联因疾病分期而异，PM2.5每增加10 μg/m3，Ⅰ期乳腺癌患者的特异性死亡风险升高1.64 倍，Ⅱ期和Ⅲ期患者未增加风险。然而，Zhang 等[37]的Meta 分析结果表明，PM2.5 暴露浓度每增加10 μg/m3，乳腺癌的死亡风险增加1.17 倍，但未观察到乳腺癌发生风险与PM2.5 暴露有关。总的来说，PM2.5 暴露会增加多个部位肿瘤的发病风险，且使肿瘤患者的预后更差，增加死亡风险。但PM2.5 暴露对乳腺癌的影响还存在不同结论，需要进行更多地区和种族人群的PM2.5 暴露对乳腺癌影响及作用机制等方面的研究。

3.2 PM2.5 与肿瘤发生发展关系的实验研究证据

研究发现，肺组织内颗粒物大多数是碳质颗粒，且多数直径在0.8 μm 左右，其中含有多种大气来源的PAH 和金属元素，如苯并荧蒽、二苯并蒽、蒽、芘、苯并芘、铝、铁、铅、锰、铜、铬、砷、镍等；颗粒物中的PAH 会向肺、血管和远端器官浸润扩散，造成急性毒性损伤[38]。除急性毒性作用外，向体内器官扩散的PM2.5 还可通过干扰细胞的正常代谢，诱导细胞恶化。体外细胞实验显示，用PM2.5处理A549 细胞和H1975 细胞，可观察到细胞内脂滴积累，干扰细胞脂质代谢，使细胞迁移速度更快且更具有侵袭性[39]。另一项细胞实验结果显示，在PM2.5 诱导下，活化的巨噬细胞可上调血管内皮生长因子表达，从而增强新生血管生成能力；同时，这也在小鼠实验中得到验证，PM2.5 增强已注射肿瘤细胞的小鼠的新生血管生成和巨噬细胞募集能力[40]。PM2.5 还可增强肿瘤相关因子如外泌体的作用，加速肿瘤形成。实验研究显示，与未经PM2.5 处理的外泌体相比，PM2.5 处理的外泌体激活了WNT/β-catenin 信号通路，诱导肿瘤细胞增殖，还增强A549 细胞和H1975 细胞的侵袭和迁移能力[41-42]。体外实验结果显示，在0～50 μg/ml 范围内，随着PM2.5 暴露浓度增加，A549、HepG2、A498等肿瘤细胞的侵袭、迁移能力也增加[43]。基于研究发现，PM2.5 暴露可造成机体急性毒性损伤，同样引起慢性毒性损伤，具有细胞毒性以及诱导肿瘤细胞增殖、侵袭和迁移的致癌潜力[44]。

4 小结与展望

目前已有研究显示，PM2.5 暴露可诱导肿瘤相关基因的表达，调节细胞间的信号转导，影响与生物学行为相关的蛋白、信号分子的表达，促进细胞的恶性转化，增强肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭能力，从而促进肿瘤的发生发展并影响预后。许多研究报道了PM2.5 暴露与肿瘤的关系，均显示PM2.5 暴露与多个部位的肿瘤发生风险相关。但PM2.5 致癌还有许多问题尚未清晰，例如PM2.5 中各成分的致癌机制、各成分之间是否存在交互作用或者中介效应等。而且肿瘤的发生还受遗传、生物因素以及社会环境等因素的影响，PM2.5 的致癌程度还需进一步深入研究。目前的研究中，人群PM2.5 的暴露浓度都以空气中平均浓度水平来描述，与个体的真实暴露情况可能存在一定的差距，未来应进一步探索个体PM2.5 真实暴露情况与肿瘤发生的关系。为控制其他因素的影响，可以进行毒理学实验结合队列研究来探讨PM2.5 致癌机制和PM2.5 对肿瘤发生的影响程度。虽然近年来全国各地的空气质量有所改善，空气中PM2.5浓度稍微下降，但长期暴露于PM2.5 仍会严重威胁健康，因此除了减少污染源，还应重视空气中存在的PM2.5 及其他有害物质的净化处理。